テラヘルツ波を用いた皮膚への化粧水浸透評価手法の開発
岡山大学大学院ヘルスシステム統合科学研究科

紀和

利彦

The penetration speed of a cosmetic liquid into human skin is recognized as an important parameter for developingcosmetics. A terahertz time-of-flight (THz-TOF) method was applied to nondestructively evaluate the penetration speed.
In contrast to the conventional THz-TOF method that utilizes THz pulses traveling through free space, skins were directly
mounted on the Si-based THz emitter in the THz-TOF method. The difference between penetration speeds for tap water andcoconut oil was clearly observed using the proposed method. Additionally, mixing ratio dependence was observed with respect
to the penetration speed for an ethanol and distilled water mixture. These results indicated that the THz-TOF method with thesilicone-based THz emitter could be a potentially useful option for evaluating cosmetic liquids.

１．緒２．方言法

本研究では，化粧水有効成分の皮膚への浸透速度を高速

図 1 は化粧水浸透評価の概念図である。計測ではセンシ定量評価する新しい手法を開発する。これまでにない新ングプレート上に皮膚モデルあるいは，培養皮膚が設置さしい手法として，多層構造材料の深さ方向の定量評価がれている。基板側からレーザーを励起することで，センシ可能であるテラヘルツ波飛行時間測定法（THz-TOF 法：

ングプレートで発生したテラヘルツ波の一部は，直接，空Terahertz Time-of-Flight 法）を採用し，加えて，テラヘ間へ放射する T 1。また，一部は，皮膚モデル中で化粧水ルツ波放射素子と皮膚試料マウントを一体型にした評価チが浸透した境界で反射し，空間へ放射する T 2。このとップを新しく開発する。

き，テラヘルツ波 T 1 と T 2 の到着時間差を計測することで，皮膚への薬剤浸透を評価することは，化粧水の薬効を知る上で重要である。皮膚は，基底層，有棘層，顆粒層，角どれくらい化粧水が浸透しているかを評価することが可能である。

質層といった構造の異なる組織がわずか 0 . 2 mm の厚さに

図 2 は，本グループで開発したテラヘルツ波計測装置の構成されており，かつ，細胞の粗密，隙間を埋める皮脂の光学システム図および写真である。レーザー光源として状態によって，薬剤浸透が大きく異なるなど複雑である。

は Spectra-Physic 社製フェムト秒一体型モードロックチ

しかしながら，倫理の観点から，人や動物へ直接薬剤を塗タンサファイアレーザーを使用し，そのスペックは出力布し，評価する実験を探索的網羅的に行うことは出来ない。

800 mW，中心波長 780 nm，パルス幅 100 fs，パルスの繰

これに対して，テラヘルツ波を用いて，非破壊で薬剤浸透り返し周波数は 82 MHz である。出力されたレーザーパルを評価する。これにより，薬剤浸透の経時変化が評価出スはビームスプリッターによってポンプ光とプローブ光に来るようになる。さらに，本研究で開発するテラヘルツ波放射素子と皮膚試料マウントを一体型にした評価チップは，チップのどの場所からでも任意にテラヘルツ波を放射させることが出来る。この為，同一皮膚モデルの異なる位置に異なる薬剤を塗布することで，それぞれの薬剤の浸透を同時に評価することが出来る 1）。
得られる成果は，病理学的に有用な知見を与えるのみではなく，将来，化粧水の効果を高速・正確に評価する装置を提供することが出来るなど社会的な波及効果が大きい。
Evaluation method of penetration speedof cosmetic liquid into skins using
terahertz technology
Toshihiko Kiwa
Graduate School of Interdisciplinary
Science and Engineering in Health
Systems, Okayama University− 29 −図1

化粧水浸透評価の概念図

コスメトロジー研究報告 Vol. 28, 2020

図2

開発したテラヘルツ波計測装置の光学システム図および写真分けられる。図 2 に示す通りに，ポンプ光はチョッパーによって 2 kHz に変調されて集光レンズによって集光された後，センシングプレートに入射する。一方で，プローブ光は時間遅延ステージを経由したのち集光レンズで集光され光伝導アンテナに入射する。これによって光伝導アンテナから電流を得ることでテラヘルツ波を検出することが出来る。ただし，電流は nA オーダーと非常に小さいため電流増幅器を経由して増幅したものを検出する。増幅された電流はロックインアンプに入力され，チョッパーの 2 kHz の参照信号と同期検波を行うことで PC で時間波形の取得を行う。ロックインアンプはエフエヌ回路設計ブロック社製

図3（LI 5640），電流アンプは Femto 社製 LCA シリーズ Ultra-

鳥皮膚への浸透評価結果

Low-Noise Current Amplifier（LCA- 40 K- 100 M）を使用している。本研究においてはテラヘルツ波の水蒸気による吸収を軽減することや，レーザーの使用，信号が微弱であることを考慮して，実験は実験環境 21 ℃，湿度 25 % 程度に保たれている電磁波遮蔽室（シールドルーム）内で行った。

３．結果・考察
図 3 は皮膚モデルとして，鳥皮膚を用い，パームオイルおよび水道水を浸透させたときの浸透の時間変化を示している。飛行時間差は，T 1 と T 2 の時間差を意味しており，負に大きくなるほど，浸透していることを意味する。この
結果は，水道水に比べてパームオイルの方が早くに到着時

図4間差が変化し，浸透していることが分かった。また，図中各エタノール含有量における浸透評価結果に示した直線はデータを線形フィットした結果である。この傾きが大きいほど浸透速度が速いことを表しており，こ0 . 125 g，0 . 250 g，0 . 500 g の 3 つのパターンを用意し，十の結果より，水道水よりパームオイルの方が，浸透速度が分に均一化するために混合したものを 5 分間撹拌して作製速いことが示された。

した。

次に開発した手法を用いて，化粧水のエタノール濃度を変化させたときの，浸透速度への影響を評価した。

図４は各エタノール含有量の浸透の時間変化を示している。エタノール含有量が 0 . 125 g では，ほとんど浸透して精製水，エタノール，グリセリンについて精製水とグリいないのに対して，エタノール含有量を増加せると，浸透セリンについては 1 . 00 g で固定し，エタノールについては速度が大きくなることが示された。エタノールにより表面− 30 −

テラヘルツ波を用いた皮膚への化粧水浸透評価手法の開発の皮脂膜が除去され，水分が容易に浸透するようになったに対して 0 . 125 g，0 . 25 g，0 . 5 g では近似直線の傾きはマためと考えられる。

イナスになっていた。ただし，全体のプロットに対する線次のステップとして，人皮膚に近い組織構造を持つ豚皮形フィッティングを施したため，図 5 ⒝ の 0 . 125 g につい膚を用いた計測を実施した。豚皮膚組織として，日本チては計測開始時から 10 分経過まで時間差は増加しているャールズリバー株式会社の Yucatan Micropig Skin を用いことは無視出来ない。計測値のばらつきについては位相進た。生後 5 カ月，メスの半身部分を 10 cm × 10 cm で採取みが見られなかった 0 . 125 g で最大 0 . 7 ps，0 . 25 g，0 . 5 gしたものを使用した。皮膚組織の構成は表皮，真皮，皮下ではおよそ 1 ps であった。ばらつきが少ない部分を見れば，脂肪から成っており，表皮の厚さは 75 ～ 125 µm，角質層

0 . 25 g では計測開始から 10 分経過までの位相進みは信頼

は 10 ～ 40 µm，皮下脂肪は 0 . 5 ～ 1 . 5 cm であった。計測できる値とみなせる。0 . 5 g では計測開始からすぐの位相

対象は角質層である表皮部分を用いるため皮下脂肪を切除

進みは大きいがそれ以降のばらつきはほとんど同じ値であしておよそ 1 mm 以下の厚さに調整した。豚は人と同じ哺るため 5 分経過までは信頼できると思われる。それぞれの乳類であり，皮膚構造が類似しているため in-vitro 透過試

場合の浸透速度を算出してみると，水道水と自作化粧水の験で使用が推奨されている。

間では鳥皮膚を使用した実験と同様に浸透速度，浸透深さ

皮膚組織でエタノール濃度依存性が見られたように，豚に大きな違いがあった。しかしながら，エタノール 0 . 25 g

皮膚組織でも同様の傾向が見られるか確認するため，滴下では−12 . 6 × 10−3，エタノール 0 . 5 g では−12 . 4 × 10−3 と，試料に水道水，およびグリセリン 1 g にエタノール 0 . 125 g，エタノール含有量の増加に対して浸透速度に差がなかった。

0 . 25 g，0 . 5 g をそれぞれ配合したものを用いた。計測時

鳥皮膚，豚皮膚両方のエタノール含有量依存性評価で算間は 1 分間隔の 30 分間で行っている。この測定を 5 回分出した浸透速度比較のための棒グラフを図 6 に示す。比較繰り返し行い，1 st パルスと 2 nd パルス間の時間差の平均

結果を見ると，鳥皮膚ではエタノール 0 . 125 g で浸透がほ値，標準誤差を算出してプロットした。なお，計測ごとにとんど見られず 0 . 25 g で浸透速度が大きく増加しているの皮膚組織は新しく切除したものを使用した。図 5 にその結に対して，豚皮膚ではエタノール . 125 g で鳥皮膚にエタノ果を示す。

ール 0 . 25 g の自作化粧水を滴下したときと同程度の浸透速

水道水は，傾きがマイナスにはならず，30 分経過まで度となった。即ち，豚皮膚は鳥皮膚よりも少量の浸透促進基準とした横軸 0 分（計測開始時）に近い値となった。それ剤で浸透していることが分かる。鳥皮膚と豚皮膚では皮膚

図5

各エタノール含有量の浸透比較⒜水道水，⒝エタノール 0.125g，⒞エタノール 0.25g，⒟エタノール 0.5g

− 31 −

コスメトロジー研究報告 Vol. 28, 2020

表面の構造が異なり，鳥皮膚の場合，哺乳類に存在する通8 は，実際の浸透評価の結果である。裏面から計測した場

常の皮脂腺に加えて別の皮脂腺を有しており，羽が水を弾合に対して，傾きが逆になっていることが分かる。以上のくことが出来るようにその皮脂腺から油分を補充している。

様に，本方法では，フェイスマスクを設置することで，化従って，表面の油分量が異なるためにエタノールが少量で粧水の浸透を表面から計測出来ることが示された。

も豚皮膚で浸透促進効果が作用したと思われる。それに加４．総えて，エタノール含有量によって自作化粧水全体としての括粘性も変化している。この粘性も浸透に何らかの影響を与本研究では，多層構造材料の深さ方向の定量評価が可えていることも考えられる。以上から，鳥皮膚組織の結果

能 で あ る テ ラ ヘ ル ツ 波 飛 行 時 間 測 定 法（THz-TOF 法：と比較して，エタノール含有量に比例した浸透速度，浸透Terahertz Time-of-Flight 法）を採用し，加えて，テラヘ深さの変化は見られなかったが，エタノール含有量が一定

ルツ波放射素子と皮膚試料マウントを一体型にした評価チ量を超えると浸透速度，深さに違いが現れる，また，鳥皮ップを新しく開発することで，皮膚モデルへの化粧水浸透膚のときよりも少量のエタノールでも浸透していることがの定量評価を実現した。特に鳥皮膚を用いた浸透評価実験確認出来た。豚皮膚の場合でもテラヘルツ波飛行時間測定を行い水道水とパームオイルでの浸透の深さ，速度の差を法が有効となる可能性を示すことが出来た。

計測することに成功した。

以上の結果は，開発した装置により，浸透の評価が可能であることを示している。

今後，人皮膚モデルとして一般に用いられる豚皮膚を用いた計測手順の標準化を行っていく。

ここまでの計測では，皮膚モデルを用いた計測を想定し，皮膚裏面より計測を実施した。これに対して，皮膚表面か（引用文献）らの計測を想定した構成を検討した。図 7 は計測の構成図

1） 紀和 利彦 , 神谷 樹 , 飯田 将弘 , 井上 博文 , 堺 健司 , 豊である。テラヘルツ波を放射するセンシングプレートに，

岡 伸一 , 塚田 啓二，テラヘルツ波ケミカル顕微鏡を用化粧水を浸潤させた市販ファイスマスクを設置，その上にいた生体関連物質評価法 日本レーザー医学会誌，39 巻，皮膚表皮がファイスマスクに接触するように設置する。図

4 号，p.341-346，2019.1.15

図6 水道水，各エタノール含有量の自作化粧水滴下時の鳥皮膚（橙），豚皮膚（青）それぞれの浸透速度の評価

図7

フェイスマスクを用いた浸透評価の構成図

図8− 32 −浸透評価の結果